Expérimentations sur l'orniérage des chaussées à faible trafic
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
http://35ans-manege.ifsttar.fr
EXPERIMENTATIONS SUR L’ORNIERAGE DES
CHAUSSEES A FAIBLE TRAFIC
Absamad El Abd, Pierre Hornych
1978-2013
Un parcours d’expériences inédites
17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Thèse de Doctorat effectuée de 2002 à 2005 au LCPC à Nantes
Ecole Doctorale Sciences Physiques et de l’Ingénieur (Univ. Bordeaux 1)
Sujet :
« Développement d’une méthode de prédiction des
déformations de surface des chaussées à assises non
traitées »
Directeurs de thèse : Denys Breysse, Alain Denis - Université Bordeaux 1
Conseiller d’études : Pierre Hornych - LCPC (Division MSC à Nantes).
CONTEXTE
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
1. Introduction
Problématique – Objectif
Expérience menée sur le manège de fatigue
2. Stratégie adoptée
3. Etude en laboratoire
4. Modélisations des déformations permanentes
5. Méthode de calcul de l’orniérage
6. Application
7. Conclusions / perspectives
SOMMAIRE
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Problématique : L’orniérage, dû
aux déformations permanentes des
matériaux non traités, est l’un des
principaux modes de dégradation des
chaussées souples à faible trafic.
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
Méthode de dim. des structures de chaussées inappropriée!
o pas d’essai pour déterminer la résistance à l’orniérage des GNT
o calcul en élasticité linéaire
o critère d’orniérage indépendant du matériau, basé sur le niveau de
déformation verticale élastique.
Objectif : Développer une méthode de calcul de l’orniérage
des assises de chaussées en GNT, avec la prise en compte :
du comportement non linéaire des matériaux non liés;
de l’état du matériau (conditions hydriques).
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Expérimentation sur le « Manège de fatigue »
Structure 1
L: 22,5m
Structure 2
L: 22,5 m
Structure 3
L: 22,5 m
Structure 4
L: 22,5 m
Structure 5
L: 30 m
BBS2 50mm BBS2 50 mm BBS3 80 mm BBS3 80 mm BBSG 60 mm
GRH 200mm GRH 200 mm GB3 80 mm GRH 200 mm GRH 200 mm GRH 200 mm
GRH 150 mm GRH 200 mm GRH 300 mm
Sol support : sable argileux,
épaisseur 2,4 m
NE1 durée de vie en millions d’essieux standards de 130 kN
(module du sol : 100 MPa)
Structure 1 Structure 2 Structure 3 Structure 4
NE1 = 0,14 NE1 = 0,38 NE1 = 1,50 NE1 = 5,00
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Matériaux testés sur les structures du manège
8 cm
50 cm
240 cm
GNT
SOL
- Couche de roulement : béton bitumineux souple - GNT : carrière des Maraîchères (w = 4 à 5 %)
- Sol : sable de Missillac
Instrumentation des planches
- Capteurs de mesure des déformations longitudinales et transversales dans les enrobés;
- Capteurs de déformations verticales dans les matériaux non liés (barreaux à jauges);
- Sondes de température, placées à 3 profondeurs différentes;
- Sondes de teneur en eau dans la GNT et le sol;
- Capteurs de déplacement ancrés, permettant de suivre le déplacement vertical total (déflexion)
au passage des charges.
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Mesure de l’orniérage sur les différentes structures
0
5
10
15
20
25
30
0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000
Nombre de passages
Orn
ière
(m
m)
Structure I
Structure II
Structure III
Structure IV
Structure V
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Étude en laboratoire des graves non traitées
Calcul de l’orniérage par éléments finis (module ORNI)
Modélisation des déformations permanentes
Validation sur le manège de fatigue
2
4
3
1
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
déformations
cycle n
cycle 1 cycle 2 cycle 3 Temps
0 3
3
3 contraintes q q
déf. perm.
déf. rév.
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
CELLULE TRIAXIALE ET INSTRUMENTATION
SOLLICITATIONS ET
DÉFORMATIONS
Capteur de
force
Embase
supérieure
Capteur de déformations
radiales
Capteur de déformations
axiales
Membrane
d’étanchéité
Principe de l’essai triaxial à chargements répétés
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Détermination de la droite de rupture du matériau:
- dans le plan (p, q), q = m.p + s
- cohésion c et angle de frottement φ dans le plan de Mohr
a/ Étude du comportement réversible
- phase de conditionnement de l’éprouvette durant 20000 cycles
- chargements réversibles suivant différents chemins de contraintes q/p
calage avec un modèle élastique non linéaire (modèle de Boyce)
b/ Étude des déformations permanentes
Procédure d’essais par paliers [Gidel, 2002]: chaque éprouvette est
soumise à différents niveaux de contraintes croissants suivant le même
chemin de chargement (Dq/Dp constant).
Procédures d’essai
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
1/ Essais triaxiaux statiques
2/ Essais triaxiaux cycliques : simulation des chargements routiers
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Essais à w = 4 %
Essais à w = 5 %
0
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100
150
200
250
0 50000 100000 150000 200000
Nombre de cycles
1
p (
10
- 4)
q/p=1
q/p=2
q/p=2,5
0
50
100
150
200
250
0 50000 100000 150000 200000
Nombre de cycles
1
p (
10
- 4)
q/p=1
q/p=2
q/p=2,5
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
Essais de déf. permanentes : GNT des Maraîchères
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives
Modèles de prédiction des déf. permanentes
Modèle empirique Modèle élastoplastique
)q,p(g).N(f)N(maxmax
1
p
max
max
max
n
a
p
1maxmax
p
q
p
sm
1
p
l)q,p(g
B
0N
N1ANf
Variation en fonction des contraintes [Gidel, 2001] :
Variation en fonction du nombre de cycles [Hornych, 1998] :
Développé par Chazallon [2000];
Modèle non associé, avec écrouissage cinématique et isotrope;
Basé sur la fonction de charge et le potentiel plastique du modèle de Hujeux [1985];
Mise au point d’un programme de calcul permettant de simuler la réponse du modèle à un chargement en contraintes [Piganeau, 2003];
Comportement élastique non linéaire décrit par le modèle de Boyce.
5- Méthode de calcul de l’orniérage
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0
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40
60
80
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140
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180
0 50000 100000 150000 200000
Nombre de cycles
1p (
10
-4)
Δq/Δp=1
Δq/Δp=2
Δq/Δp=2,5
modèleempirique
0
50
100
150
200
250
300
0 50000 100000 150000 200000
Nombre de cycles
1p (
10
-4)
Δq/Δp = 1
Δq/Δp = 2
Δq/Δp = 2,5
modèleempirique
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives
Essais à w = 4 %
Essais à w = 5 %
5- Méthode de calcul de l’orniérage
Ajustement du modèle empirique
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
(1) Calculs 3D des champs de contraintes dans la structure,
en ne considérant que le comportement réversible
(élasticité ou visco-élasticité):
- méthode EF: différents cas de chargement (module
CVCR) ;
(2) Cumul des déformations permanentes en différents points,
dans le plan (0, Y, Z), en réponse aux différents champs de
contraintes calculés dans (1);
(3) Calcul du champ de déplacements (orniérage) résultant en
3D:
- méthode EF: calcul structurel (module ORNI).
Calcul de l’orniérage
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
Calcul CVCR (3D) Chargement 1
Calcul CVCR (3D) Chargement n
Calcul des historiques de
contraintes
Calcul des historiques de
contraintes
Module ORNI (2D)
Calcul itératif des déformations
permanentes suivant l’ordre
d’apparition des chargements
Calcul des déplacements
ETAPE 1
ETAPE 3
ETAPE 2
Estimation de l’orniérage
Calculs 3D sous la charge roulante
- Module CVCR (Chaussée Visco-élastique sous Charge Roulante);
Lois de comportement - Enrobé : élasticité linéaire ou visco-élasticité (modèle de HS);
- GNT : élasticité non linéaire (modèle de Boyce);
Calcul des historiques de contraintes pour les conditions de chargements de la
structure étudiée (différentes températures, charges, vitesses, positions).
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
Application de la méthode au « Manège de fatigue »
0
2
4
6
8
10
12
0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000
Nombre de passages
Pro
fon
deu
r d
'orn
ière
(m
m)
ORNI - w = 5 %
ORNI - w = 4 %
min manège
moy manège
max manège
0
2
4
6
8
10
12
0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000
Nombre de passages
Pro
fon
deu
r d
'orn
ière
(m
m)
max manège
moy manège
min manège
Méthode 1D - GNT 4% + sol
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières
Implantation du modèle élastoplastique dans le module de calcul ORNI
Développement d’une méthode d’orniérage des enrobés bitumineux basée
sur des essais triaxiaux.
Prédictions satisfaisantes des déformations permanentes axiales dans les
essais triaxiaux cycliques (modèles empirique et élastoplastique);
Proposition d’une méthode de calcul de l’orniérage basée sur le module
ORNI;
Prédiction de l’orniérage obtenu sur le « manège de fatigue » Nécessité de prendre en compte l’orniérage du sol support
Description non satisfaisante de la cinétique d’évolution de l’orniérage (différence
entre les charges roulantes appliquées sur le manège et les chargements simulés en
laboratoire)
… CONCLUSIONS
Suite de la thèse…
1- Introduction 2- Stratégie adoptée 3- Étude en laboratoire 4- Modélisation
6- Application 7- Conclusions / Perspectives 5- Méthode de calcul de l’orniérage
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17-18 octobre 2013 : journées anniversaires des 35 ans du manège de fatigue des structures routières 18/18
Merci de votre attention…
CCGR 2005
Doctorants MSC 2004